Стеклопластик — прочный и легкий материал, который используют для изготовления кузовных деталей авто, корпусов лодок, элементов самолетов, лопастей ветрогенераторов и даже протезов. Его выбирают за долговечность и устойчивость к внешним воздействиям. Однако для создания некоторых изделий, например, корпусов приборов, нужно просверливать в материале отверстия. Это влияет на его дальнейшее состояние, поскольку создает концентрацию напряжения – место, где с большей вероятностью пойдет трещина (произойдет разрушение). Ученые Пермского Политеха выяснили, как вырезы разного диаметра, а также размер самого изделия, влияют на его прочность. Это позволит правильно проектировать детали из стеклопластиков и не допустить поломки.
Статья опубликована в журнале «ВЕСТНИК ПНИПУ. МЕХАНИКА» №4 за 2024 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM-2024-0013).
Композиционные материалы обладают высокой прочностью за счет того, что сочетают в себе лучшие свойства разных компонентов, из которых они состоят. Например, стеклотекстолит (разновидность стеклопластика) – это слоистая структура, в которой прочные стеклянные волокна скреплены термореактивной смолой. Волокна работают как арматура, принимая на себя основные нагрузки, а смола распределяет напряжение и защищает от повреждений. Такой композит применяется в электронике, авиации, машиностроении и многих других видах промышленности. Например, его часто используют для создания легких панелей в строительстве или для деталей обшивки самолета.
В процессе изготовления некоторых изделий из стеклопластика в них проделывают отверстия для крепежа, сборки деталей или просто уменьшения веса. Подобные вмешательства ослабляют материалы, что особенно опасно при использовании в авиации, судостроении и других ответственных отраслях.
Вопрос о том, как размер отверстия и структурные особенности этого композита влияют на процесс разрушения, малоизучен. Поэтому ученые Пермского Политеха провели серию экспериментов на образцах стеклопластика с отверстиями диаметром от 2 до 12 мм (в соответствии со стандартами ГОСТ). Для точных измерений деформации материала смотрели его поверхность с помощью цифровой камеры и микроскопа, а также оценивали «звук» разрушения акустическими датчиками. Эксперименты проводились в лаборатории Центра экспериментальной механики ПНИПУ.
— Деталь из стеклопластика трескается в самой слабой точке, где возникают напряжения, а характер поломки зависит от того, есть ли в этом месте отверстие. Чем больше его диаметр, тем ниже несущая способность материала, т.е максимальный вес, который он может выдержать. Однако мы выяснили, что вырезы от 2 до 6 мм не наносят серьезного урона и считаются «безопасными» для прочности стеклопластиков, – поясняет Екатерина Чеботарева, аспирантка кафедры «Экспериментальной механики и конструкционного материаловедения» ПНИПУ.
При испытаниях образцов также проявился так называемый «масштабный эффект» – когда прочность материала меняется в зависимости от его размера.
— В данном случае маленькие детали оказались крепче больших на 17%, хотя обычно уменьшение конструкции не гарантирует этого. Все эти показатели важно учитывать при проектировании любых деталей из стеклотекстолита, чтобы не допустить преждевременную поломку. Например, в электротехнике, где этот композит используется в качестве изоляционного материала, не пропускающего электрический ток и предотвращающего короткие замыкания, – комментирует Елена Струнгарь, доцент кафедры «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Данные, полученные учеными ПНИПУ, помогут усовершенствовать модели анализа композитов и оптимизировать проектирование деталей из них. Учет масштабного эффекта и структурных параметров позволит создавать более надежные и долговечные материалы для энергетической, строительной, авиационной, медицинской и транспортной отраслей. Далее планируется изучение масштабного эффекта и концентраторов напряжения на других конструкционных материалах, в том числе при повышенной температуре.